Нейропыль как универсальный интерфейс мозг-компьютер и средство диагностики
Мишель Махарбиз – создатель первого в мире устройства для дистанционного управления насекомыми, вместе с коллегами из Калифорнийского университета в Беркли новый универсальный интерфейс мозг-компьютер. Из-за малых размеров он получил название «нейропыль». Это одновременно способ более точного управления любой электроникой с помощью «силы мысли» и новый диагностический метод с высочайшей разрешающей способностью.
Интерфейсы мозг-компьютер (BCI) основаны на регистрации электрической активности отдельных групп нейронов и переводе интегрального сигнала в управляющую команду для внешнего устройства. Командовать таким образом можно чем угодно – фигуркой на экране, собственным протезом или удалённым роботом.
Как и современные методы функционального исследования головного мозга, BCI пока не отличаются высокой точностью. Их возможности ограничены габаритами устройства и количеством участков коры головного мозга, с которых технически возможно отведение отдельных потенциалов действия.
В последние годы появились установки, регистрирующие одновременно до 256 каналов. Они встречаются исключительно редко и не вписываются в бюджет большинства клиник, а ряд исследовательских и практических задач уже требует довести счёт каналов до десятков тысяч.
Отдельная проблема – длительный мониторинг состояния больного или долгие сеансы управления, выполняемые оператором. Ни пациент, ни оператор не могут сутками находиться в кресле.
Первые шаги в решении данного вопроса сделала в этом году группа исследователей из университета Брауна. Недавно они первый беспроводной BCI. Это частично имплантируемый интерфейс мозг-компьютер, снабжённый индукционной зарядкой.
В эксперименте с макаками-резус такой прибор использовался месяцами, позволяя его обладателям относительно свободно перемещаться. Среди недостатков отмечались большие для имплантируемого устройства габариты (сантиметры), а также ограниченность числа и взаимного расположения вживляемых электродов.
Группа из Калифорнийского университета в Беркли предложила способ уменьшить размеры имплантируемых элементов до нескольких микрометров и буквально наполнить ими сосудистую оболочку головного мозга.
Разработанные ими сверхминиатюрные электронные сенсоры состоят из выполненной по технологии CMOS микросхемы, пьезокристалла, электродов и изолирующей полимерной оболочки. Принцип их действия напоминает практику использования чипов радиочастотной идентификации (RFID), не требующих встроенного источника питания.
По замыслу авторов частицы нейропыли свободно циркулируют в кровеносном русле. Практически этого трудно достичь из-за сложного состава крови, биологических механизмов её очистки и структуры эндотелия, но представим на минуту, что данные проблемы решены. Тогда одновременное число микросенсоров в сосудах головного мозга в любой момент времени может исчисляться тысячами.
Каждая из этих «умных частиц» сможет измерять электрическую активность ближайших нейронов. Во время первой фазы пьезоэлектрический кристалл преобразует ультразвуковые волны от промежуточного модуля в электрические сигналы и питает CMOS-схему. Во время второй он действует наоборот – вибрирует под влиянием потенциалов действия ближайшей группы нейронов.
По сравнению с RFID, в предложенной схеме есть минимум два важных отличия. Кроме электромагнитных волн (внешний уровень) используется ультразвук (внутренний уровень), а усиление ответного сигнала микросенсоров, его преобразование и дальнейшую передачу обеспечивает промежуточный модуль.
Последний размещается под твердой мозговой оболочкой и действует как трансивер, позволяя избежать сильного затухания ультразвука и преодолеть экранирующее действие костей черепа.
Ультразвук строго определённой частоты требуется и для повышения мощности всей системы. Расчётными методами установлено, что в данных условиях сенсор с диаметром 100 мкм под воздействием ультразвука может получить до 500 мкВт, в то время как за счёт радиочастотной передачи энергии – только до 40 пВт (примерно в 10 млн. раз меньше). Кроме того, электромагнитное излучение достаточной для работы системы мощности вызывало бы слишком сильный нагрев окружающих тканей, и приводило бы к их повреждению. С ультразвуком такой риск тоже остаётся, но он значительно меньше.
Условной границей между внешним и внутренним уровнем коммуникаций служит твёрдая мозговая оболочка. До неё связь осуществляется посредством ультразвука, а после неё сигнал преобразуется в радиочастотный. Он передаётся сначала на внешний компактный блок, а затем от него – на отдельно стоящее принимающее устройство.
По сравнению с потенциальными возможностями нейропыли, современная электроэнцефалография и другие методы неинвазивной нейровизуализации (функциональная ядерно-магнитная томография, позитронно-эмисионная томография) имеют на один-два порядка меньшее разрешение.
Применительно к интерфейсам мозг-компьютер, в первом приближении это эквивалентно повышению точности определения мысленной команды в десятки раз.
Текущие расчётные размеры микросенсоров в пределах 10 – 100 мкм сравнимы с диаметром пиальных сосудов и недостаточно малы для эффективного практического применения. Однако пределы масштабирования не исчерпаны. Авторы исследования полагают возможным создание в ближайшие годы более миниатюрных сенсоров с диаметром менее 10 мкм. Такие частицы смогут регистрировать электрофизиологические данные, по-прежнему удерживаясь гематоэнцефалическим барьером.
Пока речь идёт исключительно о модели, довольно точно просчитанной с учётом известных данных. Авторы «нейропыли» опираются и на экспериментальную проверку отдельных подобных элементов интерфейса мозг-компьютер на лабораторных животных. Многие вопросы предстоит решить ещё до этапа создания прототипа. Идея сейчас хоть и выглядит слишком смелой, но явно заслуживает самого пристального внимания.
Коли на Землі очікуються магнітні бурі: прогноз до кінця травня
Учёные смогли управлять растением с помощью искусственного нейроинтерфейса — на очереди животные и человек
